Новые технологии очистки поверхностных вод

Идет промышленное внедрение принципиально новой технологии для очистки поверхностных вод с использованием нанофильтрационных аппаратов специальной конструкции с открытым каналом. Для удаления загрязнений с поверхности мембран используются специальные гидравлические промывки.

Современные мембранные методы, в частности, нанофильтрация, давно привлекают внимание специалистов благодаря универсальности - возможности одновременной очистки воды как от природных органических веществ, образующих цветность, так и от галогеносодержащих низкомолекулярных органических соединений. Применение таких систем имеет большие перспективы, позволяя без использования реагентов и окислителей решать проблемы снижения цветности, образования хлорорганических веществ, удаления антропогенных загрязнений. Другой мембранный метод очистки воды - ультрафильтрация, также активно внедряемый в практику коммунального водоснабжения, в этом отношении значительно уступает технологии нанофильтрации. Ультрафильтрационные мембраны практически не задерживают органические соединения с молекулярной массой ниже 200 кДа, и их роль сводится к очистке воды от патогенных бактерий, вирусов, остатков непрокоагулировавшей взвеси и порошкообразного угля.

Примером такого использования мембранных технологий является ряд установок в США, Голландии, Франции, где нанофильтрация позволяет решить проблемы хлорорганических веществ, не решаемых даже озоно-сорбционными методами. Однако изучение технологических схем применения нанофильтрации в централизованном водоснабжении показывает, что в них используются многоступенчатые сооружения предочистки, включающие коагуляцию, фильтрование, и даже ультрафильтрацию. Кроме того, при эксплуатации мембранных систем используется ряд реагентов для предотвращения загрязнения мембран и для проведения химических промывок. В результате, даже несмотря на бесспорную эффективность нанофильтрации, на возможность ее применения в централизованном водоснабжении смотрят скептически, учитывая очень высокую стоимость всего процесса очистки в целом.

Значительная капитальная и эксплуатационная стоимость описанной технологии водоподготовки обусловлена затратами на предочистку. Это связано с несовершенством существующего процесса нанофильтрации, заключающимся в высокой склонности мембран к загрязнению. Здесь имеются в виду традиционные мембранные аппараты рулонного типа, широко используемые в промышленности и питьевом водоснабжении и аналогичные аппаратам, применяемым для обратного осмоса. Аппараты такой конфигурации явно не подходят для обработки поверхностных вод на водопроводных станциях.

Недостатки современных конструкций мембранных элементов типа "рулон" были отмечены уже давно. Главная причина - наличие турбулизаторной сетки, которая "экранирует" поток и является "ловушкой" для взвешенных частиц. Одновременно в местах контакта узлов сетки с поверхностью мембраны создаются "застойные" зоны, в которых исходная вода концентрируется, вызывая выпадение осадков малорастворимых солей. Очень большие перспективы имеют рулонные аппараты с "открытым" каналом, более "стойкие" к образованию осадков взвешенных веществ.

Настоящая работа посвящена разработке новой технологии обработки воды, содержащей взвешенные и растворенные органические вещества, "напрямую" из поверхностных водоисточников без применения дополнительных сооружений предочистки и реагентной обработки.

Такая идея не новa. Например, фирмами "Norit" (Нидерланды) и "PCI" (Великобритания) разработаны технологии и установки подготовки питьевой воды из поверхностных водоисточников без предочистки. Этими компаниями используются нанофильтрационные аппараты трубчатой конфигурации с капиллярными мембранами диаметром около 1,5 мм ("Norit") или трубчатыми мембранами диаметром 10 - 15 мм ("PCI"). Трубчатые аппараты лишены "застойных зон", и при высокой скорости транзитного потока внутри трубки осаждение взвешенных веществ на поверхности мембран сведено к минимуму. Однако ввиду высокой стоимости таких установок область их применения ограничена небольшими станциями производительностью до 200 м3/сут. Следует отметить и еще один их недостаток - значительный "перерасход" электроэнергии, обусловленный необходимостью создания большого циркуляционного потока.

Целью выполненной работы было обоснование технологии очистки поверхностной воды с применением рулонных аппаратов специальной конструкции с "открытым" каналом, обладающих меньшим гидравлическим сопротивлением и исключающих образование "застойных" зон.

При работе рулонного аппарата в зависимости от скорости транзитного потока меняется интенсивность осаждения взвешенных веществ на поверхности мембран. Для их удаления периодически открывается линия сброса концентрата (происходит резкий сброс давления) и накопленные загрязнения смываются с поверхности мембраны. При разработке установок, работающих по описанной технологии, представляет интерес обоснование выбора оптимальной величины давления, скорости транзитного потока, времени проведения гидравлических промывок со сбросом давления.

Указанные величины были определены авторами в процессе экспериментальных исследований и на основании полученных данных проведена оптимизация эксплуатационных затрат, позволяющая получить значения расхода концентрата, объема осадка, время и объем проведения химических промывок.

В задачи проведенных экспериментальных работ входило:
• прогнозирование роста коллоидных и органических осадков на поверхности мембран;
• оценка влияния материала мембран на интенсивность осадкообразования и эффективность гидравлических промывок;
• определение изменения гидравлического сопротивления канала аппарата в процессе загрязнения мембран;
• определение возможности отстаивания и утилизации промывной воды, содержащей осадки взвешенных веществ, удаленные с поверхности мембран.

Внешний вид системы обработки поверхностной воды показан на рисунке. Исходная речная вода поступает в приемный бак, откуда насосом подается в мембранные аппараты, где поддерживается высокая скорость потока. При этом часть потока возвращается во всасывающую линию насоса, а часть концентрата 12 - 15 % идет на сброс. Выход фильтрата составляет 85 - 87 %. Гидравлические промывки проводятся путем открывания магнитного клапана, установленного на выходе из каждого аппарата, при этом отложения "срываются" с поверхности мембран потоком воды. Промывная вода собирается в бак-отстойник. Примечательно, что вынесенный осадок взвешенных веществ сорбирует органические вещества, образующие цветность. Промывная вода хорошо отстаивается, и в течение 1 - 3 часов в баке образуется уплотненный осадок.

Разработанная технология позволяет создать систему обработки поверхностных вод с цветностью до 150 град и содержанием взвешенных веществ до 40 - 50 мг/л. При этом расходы электроэнергии не превышают 0,5 кВт/м3. Благодаря компактности и простоте, возможности автоматизированной непрерывной работы и отсутствию постоянного дозирования реагентов, такие системы имеют перспективы при водоснабжении вахтовых поселков в удаленных районах, при развертывании водоснабжения в районах чрезвычайных ситуаций и т.д. Примеры готовых технологических решений показаны на рисунках.

Кроме того, реальная опасность загрязнения поверхностных источников пестицидами, нефтепродуктами, хлорорганическими соединениями с одной стороны, и резкое повышение содержания органических веществ в период паводков с другой стороны, а также низкая стоимость описанных установок, простота их изготовления и наращивания мощностей, позволяет всерьез рассматривать эту технологию для создания вспомогательных и дополнительных мощностей на крупных городских станциях очистки воды.